Lagring av data genom laseretsning

Lasrar utvecklades först 1960 och har ökat i popularitet under de senaste åren. Den globala marknaden för laserteknik projiceras att växa till 35.4 miljarder dollar till 2032. Denna tillväxt är driven av den ökande efterfrågan på lasrar inom olika sektorer, inklusive kommunikation, försvar, vetenskap, säkerhet, datalagring och mer.

Lasrar, som är enheter som avger ljus via optisk förstärkning, används ofta för etsning. Laseretsning är en process för att skapa markeringar på ytan av en produkt, såsom QR-koder, streckkoder, logotyper och serienummer. Dessa markeringar innehåller viktig information för att spåra källan till en viss produkt under hela dess livscykel, vilket garanterar dess säkerhet och hållbarhet. Dessutom denna process används att skapa konstverk för produkter.

Laseretsning faller under en större kategori av lasermärkning, som även inkluderar laserglödgning – en process som värmer materialet – och lasergravering, som innebär att materialet förångas. Eftersom lasern är mycket mångsidig kan den etsa de flesta metaller.

Så, hur fungerar det här?

För att skapa ett märke avger laserstrålen en hög mängd energi till ett koncentrerat område, vilket smälter materialets yta. När ytan expanderar och svalnar bildas det önskade märket. Till skillnad från andra processer som bara ändrar ytans färg eller struktur, förändrar laseretsning faktiskt ytan och skapar en upphöjd eller nedsänkt område med en grövre textur.

Genom att förändra ytan på ett material med hjälp av en laser skapas alltså olika permanenta mönster och mönster.

Olika typer av lasrar som används för etsning inkluderar fiber, CO2, kristall, diodlasrar och diodpumpade halvledarlasrar.

Denna metod att skapa märken på ett material erbjuder fördelar som snabbhet och omfattande anpassning. Det är också en beröringsfri metod som inte orsakar kemiska reaktioner eller skapar mekaniska påfrestningar och ger överlägsna kvalitetsmärken. Laseretsning tål även icke-slipande behandlingar som pulverlackering.

Dessutom kan laseretsning användas på en mängd olika material som trä, läder, plast, glas, keramik, natursten och halvledare. Det är också effektivt på nästan alla metaller, inklusive aluminium, anodiserad aluminium, bly, magnesium, stål, zink, koppar, mässing och titan kan etsas. I princip kan nästan alla typer av material laseretsas. 

Men laseretsning är inte utan problem, såsom höga initiala kostnader för maskiner. Dessutom kan märkena slitas ut i nötande miljöer, såsom de som utsätts för sandblästring. 

Trots dessa utmaningar överväger fördelarna med laseretsning vida dess nackdelar, vilket gör att den rekommenderas för de flesta märkningstillämpningar. Laser etsning används ofta inom många branscher för dess mångsidighet, effektivitet och precision, inklusive bil-, elektronik-, packnings- och försvarsmetalltillverkning, smycken, konst och medicinsk utrustning.

En annan intressant tillämpning av laseretsning är datalagring. För mer än ett decennium sedan talade Hitachi om bevara information i hundratals miljoner år genom att laserkoda den i skivor av kvartsglas. Tekniken tog dock inte itu med problemet med att hantera den enorma mängden data. 

För några år sedan, Peter Kazansky, professor vid Optoelectronics Research Center vid University of Southampton, lagras 500 terabyte data på en liten glasskiva via laseretsning.

Modifiering av polysulfidytor med lågeffektlasrar

Med tanke på de stora fördelarna med laseretsning letar forskare och forskare alltid efter sätt att förbättra tekniken och hitta nya tillämpningar. Nyligen forskare från Flinders University upptäckte att en billig, ljuskänslig svavelhärledd polymer är mottaglig för lågeffektlasrar med synligt ljus. 

Vanligtvis, för att förändra ytorna på polymerer, som består av mycket stora molekyler, behöver vi lasrar som avger mycket hög effekt. Använder högeffektlasrar, högteknologisk elektronik, biomedicinska produkter och datalagring komponenter kan tillverkas. Men med den senaste upptäckten kan vi se mer prisvärda och säkrare produktionsmetoder. 

Enligt forskningsassistent och medförfattare Dr Lynn Lisboa:

"Inverkan av denna upptäckt sträcker sig långt utanför laboratoriet, med potentiell användning i biomedicinsk utrustning, elektronik, informationslagring, mikrofluidik och många andra funktionella materialapplikationer." 

Publicerad i Angewandte Chemie International Edition, den studera Parlamentet noterar vikten av att modifiera polymerytor med laserljus för att stödja framsteg inom olika områden samtidigt som det påpekar att sådana förändringar vanligtvis kräver dyra högeffektlasrar, som ytterligare kräver speciella verktyg och faciliteter för att minska risken för exponering för en farlig strålningsnivå. . Sedan finns det polymersystem i sig som tenderar att vara invecklade och dyra att utveckla så att lasrar kan ändra dem med lätthet. 

Som sådana behövs polymerer som är lättillgängliga och som reagerar när de utsätts för låga strålningsnivåer, eftersom det skulle innebära enklare, säkrare och mer ekonomiska lasersystem.

Upptäckten av billiga och snabbt föränderliga svavelsampolymerer med hjälp av lasrar som levererar synligt och osynligt infrarött ljus med låg effekt svarar mot dessa behov. För att skapa svavelsampolymerer använde forskarna det elementära svavlet (S) och antingen cyklopentadien eller dicyklopentadien. 

Sedan, med hjälp av en uppsättning lågeffektsvåglasrar med våglängder på 532, 638 och 786 nm, kunde teamet modifiera polymerernas ytor. Dessa modifieringar inkluderar etsning genom ablation eller kontrollerad svullning. 

Studien använde sedan modifiering av polymersystem genom laser och enkel syntes i två tillämpningar – raderbar informationslagring och direkt laserlitografi. Den höga svavelhalten i dessa polymerer överför en mängd olika kemiska, fysikaliska och optiska egenskaper, vilket möjliggör olika tillämpningar inom energilagring, termisk avbildningsoptik och metallbindning.

Sedan finns det S−S-bindningarna som kan vara trasig och omformades, vilket möjliggjorde restaurering och användning. S-S-bindningarnas benägenhet i svavelsampolymerer var det som ledde till studiens upptäckter. Forskarna noterade särskilt att sampolymerens yta var synbart förändrad strax efter att ha en exponering på mindre än 1 sekund för en 690 nm, 1.10 mW diodlaser. Studien angav:

"Med tanke på laserns låga effekt och korta exponeringstider var denna snabba polymermodifiering en överraskning." 

Lasermodifieringar möjliggör raderbar informationslagring

Kemitidskriften där studien publicerades innehöll också en laseretsad version av den berömda Mona Lisa-etsningen tillsammans med tryckningen av en mikropunktskrift, som var mindre än till och med det runda huvudet på en nål.

Finansierad av Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF-SA och Microscopy Australia, belyser studien en upptäckt som kan bana väg för användningen av mer hållbara material. Specifikt använde studien en polymer gjord av den billiga industriella biprodukten elementärt svavel. Dessutom kan denna metod minska behovet av dyr, specialiserad utrustning. Det är dock viktigt att notera att högeffektlasrar medför risken för farlig strålning.

Upptäckten var gjord under en rutinanalys av en polymer som uppfanns för två år sedan vid Chalker Lab av doktorand Samuel Tonkin och professor i kemi Justin Chalke från Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineering.

Den nya polymeren hittades att modifieras direkt när laserljuset berörde dess yta. Detta, sa studiens medförfattare och forskare vid Flinders University, Dr Christopher Gibson, var en "ovanlig reaktion" som inte har observerats före på andra vanliga polymerer. Han sa:

"Vi insåg direkt att detta fenomen kan vara användbart i ett antal tillämpningar, så vi byggde ett forskningsprojekt kring upptäckten." 

Abigail Mann, en doktorand vid Flinders College of Science and Engineering, kallade detta en spännande utveckling, sa att genom att använda nya tekniker för att tillverka strukturer av mikrometer och mindre skalor för svavelbaserade material, hoppas de kunna inspirera ett brett spektrum av verkliga världsapplikationer i vårt labb och utanför."

Denna upptäckt ger ett nytt sätt att skapa exakta mönster på polymerytan. Sådan förmåga har potentiella tillämpningar i biomedicinska enheter med mönstrade ytor, nya metoder för att använda polymerer i datalagring och alternativa metoder för tillverkning av enheter i nanoskala för mikrofluidik, sensorer och elektronik.

I en praktisk demonstration av dess potential för raderbar informationslagring visade studien upp möjligheten att koda ett meddelande i punktskrift. Detta uppnåddes genom att använda en laser för att skapa upphöjda prickar på materialet, utnyttja de dynamiska S−S-bindningarna och egenskaperna som liknar vitrimer – en kategori av plaster som underlättade både skrivning och radering av meddelandet. 

För att skapa stavningen av "hemligt meddelande" i punktskrift använde forskarna en laser med en lägre lasereffektinställning (638 nm, 2.4 mW). De upphöjda prickarna, som hade en höjd av 3.6 μm±0.2 μm, bildades genom att exponera polymerens yta för lasern i bara 1.3 sekunder.

Sedan använde teamet en högre effektinställning (638 nm, 5.4 mW) för att skapa gropar i hörnen genom ablation och materialborttagning. Återigen var laserexponeringen här också 1.3 sekunder. 

Studien fann att den termiska behandlingen raderade de lyfta prickarna när de inkuberades i en ugn vid 160 °C i 5 timmar. Groparna som bildades genom ablation förblev under tiden intakta på grund av att polymeren permanent förlorade svavel. 

Processen med flyttbar informationskodning, enligt studien, "utgör en ny riktning i fotoresponsiva material, med fördelar i enkelheten i materialsyntesen och användningen av lågeffektlasrar."

Studien visade vidare genereringen av en komplex, mikroskalig bild med hjälp av direkt laserlitografi. Med hjälp av en 532 nm laser som arbetar med 7 % effekt (1.3 mW), genererade Flinders forskargrupp de finare linjerna i "Micro Lisa." Mikrobilden var cirka nio μm bred och två μm djup. Mikron eller mikrometer, representerade som µm, motsvarar en miljondels meter. 

Med hjälp av en laser med högre effekt (3.0 mW) genererade teamet sedan de bredare och djupare linjerna i den 23 μm breda och fem μm djupa kvadratiska ramen. Denna direkta laserlitografi, enligt teamet, är utmärkande när det gäller den låga kostnaden för polymersubstrat och enkelheten i lasersystemet.

Klicka här för att lära dig hur lasrar kan förvandla moderna datorer.

Slutsats

Som vi såg i den här studien, med hjälp av synligt och infrarött laserljus med låg effekt, kunde forskarna modifiera sampolymerer. Ändringarna har varit snabba, med exponeringstider som är extremt korta - från millisekunder, en tusendels sekund till en sekund. Denna tidsskala kan vara till stor fördel i olika branscher, särskilt de som kräver hela prototyp- och tillverkningsprocesserna för att ske snabb.

Genom att kontrollera strålens våglängd, diameter och kraft kunde forskarna skapa upphöjda prickar, hål, gropar, kanaler och spikar på polymerytan. Denna mångsidighet innebär att även komplexa mönster kan skapas, vilket kan förbättra funktionaliteten och möta specifika applikationer. 

Men detta är inte allt. Helt enkelt genom att värma provet kunde forskarna ytterligare radera polymersvällningsmodifieringarna. Dessa möjligheter är betydande, vilket demonstrerades av teamet med direkt laserlitografi av komplexa bilder och raderbar informationskodning.

Denna studie har inte bara tillhandahållit en enkel metod såväl som billiga material och lasersystem som kan hjälpa till att tillhandahålla mer tillgängliga och kostnadseffektiva lösningar utan kan också vara specifikt användbar inom kryptering, datalagring och många andra områden där tillfälliga ändringar är behövs.

Klicka här för att lära dig varför lasrar kommer att spela en avgörande roll under de kommande dagarna.